Электронно-лучевое плавление (EBM): быстрое 3D-печать металла качества ЧПУ

Металлическая 3D-печать трансформировала то, как сложные металлические инструменты и детали делаются. Электронно-лучевое плавление, или EBM, — зрелая альтернатива ЧПУ-обработке и металлическому литью благодаря своей способности печатать детали с долговечностью и прочностью металлов, но со скоростью 3D-печати.

EBM — процесс плавления порошкового слоя, похожий на SLM (selective laser melting) и SLS (selective laser sintering) в том, что каждый тонкий слой металлического порошка наносится на нагретую платформу, а затем плавляется или спектируется на месте. Однако EBM отличается от этих процессов тем, что источник энергии, сплавляющий порошок, — электронный луч вместо лазерного луча, и процесс происходит в вакууме вместо атмосферного давления. Хром-кобальтовые и титановые сплавы — два из наиболее часто используемых материалов в EBM 3D-печати.

История электронно-лучевого плавления датируется 1993 годом, когда его принципы были впервые запатентованы компанией Arcam в сотрудничестве с Университетом Технологии Чальмерс в Гётеборге, Швеция. Их целью было создание 3D-объектов слой за слоем путём плавления электрически проводимых металлических порошков лучом электронов. В 1997 году Arcam была реорганизована в Arcam AB, которая продолжила разработку и коммерциализацию процесса EBM 3D-печати.

В этой статье мы глубже погружаемся в электронно-лучевое плавление и обсуждаем всё от того, что это такое, до его преимуществ и недостатков, и сходств и отличий от других процессов 3D-печати.

Что такое электронно-лучевое плавление (EBM)?

Электронно-лучевое плавление — процесс 3D-печати, использующий электрически проводимые металлические порошки и лучи электронов для производства деталей слой за слоем. Для работы процесса должен быть создан вакуум около 0.0001 мбар в печатающей камере. В отсутствие вакуума высокоэнергетические электроны чаще сталкиваются с газовыми молекулами, лишая луч энергии, необходимой для завершения процесса печати. После получения вакуума строительная платформа нагревается до экстремально высоких температур (около 600–1000 ℃), и металлический порошок точно наносится для формирования текущего поперечного сечения детали для печати. В этот момент электронный луч тщательно движется по строительной платформе и использует ещё более высокие температуры для селективного плавления и сплавления нового порошкового слоя с ранее напечатанными слоями. После завершения слоя строительная платформа опускается на величину, эквивалентную одному слою. Этот процесс повторяется до полной печати всей детали.

Диаграмма электронно-лучевого плавления

Какова история EBM-печати?

Электронно-лучевая технология датируется 1869 годом, когда Иоганн Вильгельм Хитторф и Уильям Крукс экспериментировали с катодными лучами (другим термином для электронных лучей) в газах для плавления металлов. Их эксперименты привели к множеству открытий. Однако только в 1952 году д-р г.с. Карл-Хайнц Штайгервальд разработал первые практические электронно-лучевые процессы для коммерческого использования. В тот момент электронные лучи использовались преимущественно для сварочных применений. Более чем 40 лет спустя, в 1993 году, принципы и теория EBM были впервые запатентованы шведской компанией Arcam. Это стало возможным благодаря сотрудничеству с Университетом Технологии Чальмерс в Гётеборге, Швеция. В 1997 году компания была реорганизована в Arcam AB, поскольку они продолжали разработку и коммерциализацию процесса EBM 3D-печати. Arcam AB была приобретена GE в 2016 году и интегрирована в GE Additive.

Каково назначение электронно-лучевого плавления?

Назначение электронно-лучевого плавления — фабрикация металлических деталей 3D-печатью (аддитивное производство). Более точно, электронно-лучевое плавление — метод построения металлического компонента путём плавления специфических узоров материала вместе, слой за слоем. Существует много разных подходов к аддитивному производству, но назначение EBM конкретно — фабрикация с использованием металлов с высокой точкой плавления. Его применение в основном в конструировании сложных и изощрённых деталей для авиакосмических и медицинских областей.

Каково значение электронно-лучевого плавления?

Значение электронно-лучевого плавления в том, что оно позволяет использовать металлы вроде титана и высоколегированных инструментальных сталей в 3D-печати. EBM поэтому открывает новые возможности для компонентов, которые могут быть фабрикованы. Аддитивное производство позволяет конструировать геометрии, которые ранее были невозможны, особенно детали со сложными внутренностями. Одним из преимуществ этого является то, что множественные компоненты могут быть фабрикованы как единичный компонент с аддитивным производством, упрощая сборку. Однако аддитивное производство в основном развивалось с термопластичными материалами, так как они относительно дешёвы и имеют низкие точки плавления. Это строго ограничивает полезное применение 3D-напечатанных деталей. Значение электронно-лучевого плавления в том, что оно может фабриковать 3D-напечатанные детали из металлов вроде титана и никелевых сплавов. Металлы с высокой точкой плавления, с их прочностью, биосовместимостью и коррозионной стойкостью, открывают круг применений, которые могут bénéficier от аддитивного производства.

Как электронно-лучевое плавление отличается от традиционных производственных методов?

Электронно-лучевое плавление отличается от традиционных производственных методов тем, что это метод аддитивного производства. Это означает, что EBM используется для фабрикации путём последовательного добавления материала (в специфическом узоре) к компоненту, который строится. Это фундаментально отличается от традиционных производственных методов, которые либо начинают с блока металла и удаляют материал для достижения их конечной формы (т.е., фрезерование и обработка) либо используют формы для литья расплавленного металла в конкретную, предопределённую форму. Эти методы обычно имеют низкую материальную эффективность (высокий процент перерабатываемого материала) и имеют длительное лид-тайм с ассоциированными инструментальными затратами. С EBM компонент может быть изготовлен напрямую из цифрового дизайна, и без материальных отходов. Однако это всё ещё молодая технология, и поэтому оборудование и материалы всё ещё относительно дороги. Эти затраты ожидается снизятся по мере зрелости технологии.

Для чего используется электронно-лучевое плавление?

Электронно-лучевое плавление 3D-печати используется для мелкосерийного производства и верификации концепции доказательства деталей со сложными геометриями. EBM-системы и порошки, используемые для печати, дороги, поэтому процесс редко используется для массового производства. EBM производит высокопрочные металлические детали, которые в основном используются в авиакосмической, автоспортивной и медицинской отраслях. EBM-напечатанные детали используются в высокопроизводительных деталях таких как лопатки турбин, компоненты двигателей, медицинские имплантаты и протезы.

Чему похоже электронно-лучевое плавление?

Электронно-лучевое плавление похоже на другие процессы 3D-печати плавления порошкового слоя, как селективное лазерное плавление (SLM) и селективное лазерное спекание (SLS). EBM использует луч электронов для селективного плавления и сплавления металлических порошков для формирования деталей слой за слоем. В SLM лазер селективно плавит и сплавляет металлические порошки на нагретой строительной платформе. SLS — почти идентичный процесс; однако полимерные порошки вместо металлических селективно спектируются и сплавляются лазером.

EBM отличается от этих двух процессов использованием электронного луча для создания деталей вместо лазера, необходимостью вакуума для печати деталей и необходимостью более высоких температур строительной платформы.

Как работает электронно-лучевое плавление?

EBM 3D-печать становится возможной вольфрамовым нагревателем, который нагревается в вакууме для создания электронного луча. После получения вакуума луч создаётся, металлические порошки наносятся на строительный поднос, и печать может начаться. Шаги производства EBM 3D-напечатанной детали описаны ниже:

1. Металлический порошок наносится на строительную платформу для формирования текущего поперечного сечения детали для печати.
2. Давление в камере 3D-принтера снижается до около 0.0001 мбар.
3. Когда получен требуемый уровень вакуума, электронный луч включается и нагревает всю строительную платформу до требуемой температуры (600–1000 ℃).
4. После нагрева строительной платформы электронный луч точно движется к строительной платформе для плавления и сплавления частиц металлического порошка при ещё более высоких температурах.
5. Когда один слой завершён, строительная платформа опускается на высоту, эквивалентную одному слою.
6. Свежий слой порошка наносится, и процесс повторяется до полной печати всей детали.
7. Детали оставляются остывать — часто на ночь — перед извлечением из принтера.
8. После остывания деталей остаточный полуспектированный порошок и опорные структуры должны быть удалены.

Каковы основные компоненты машины электронно-лучевого плавления?

Следующие являются основными компонентами машины электронно-лучевого плавления:

1. Электронная пушка: Это источник энергии для плавления. Луч создаётся из вольфрамового нагревателя, но пушка также включает фокусирующие и дефлектирующие катушки для направления его к точным локациям в зоне сборки для плавления.
2. Вакуумная (строительная) камера: Производственный процесс происходит внутри вакуумной камеры, в которой поддерживается вакуум для предотвращения окисления материала.
3. Порошковый бункер: Порошковый материал удерживается внутри порошкового бункера, из которого он дозируется для плавления.
4. Порошковый ролик: Порошковый ролик движется через зону сборки для равномерного распределения слоя порошка. Ролик поэтому движется через зону сборки после каждого расплавленного слоя, чтобы подготовить для следующего слоя для плавления.
5. Строительная платформа: Строительная платформа — поддержка для последовательно конструируемого компонента. Платформа опускается в малых приращениях, так что верхний край компонента находится на правильной высоте для формирования следующего порошкового слоя.

Насколько точно электронно-лучевое плавление?

EBM-печать в общем менее точна, чем SLM-печать. Это потому, что в SLM металлические порошки, используемые, обычно тоньше, и строительные слои обычно тоньше, чем в EBM. Толстые слои в EBM-напечатанных деталях могут приводить к более шершавым поверхностным отделочным. Поэтому пост-обработка может потребоваться для EBM-напечатанных деталей для получения желаемых допусков и поверхностных отделочных.

Какие материалы могут использоваться в электронно-лучевом плавлении?

Только ограниченный спектр металлов может использоваться в EBM. Титановые и хром-кобальтовые сплавы — два обычно используемых материала. Определённые стальные порошки и Inconel 718 также могут использоваться. Потому что электронно-лучевое плавление 3D-печати требует электрически проводимых материалов для строительства деталей, полимерные и керамические материалы не могут использоваться.

Может ли электронно-лучевое плавление использоваться на пластиках?

Нет, электронно-лучевое плавление не может использоваться на пластиковых материалах. Огромное большинство пластиков не могут проводить электричество и поэтому не могут привлекать электронный луч. Кроме того, температуры, достигаемые в электронно-лучевом плавлении, далеко превышают точку плавления большинства пластиков, что вызвало бы обугление вместо плавления.

Может ли электронно-лучевое плавление использоваться на керамике?

Нет, электронно-лучевое плавление не может использоваться на типичной керамике. Чтобы привлечь электронный луч, материал, принимающий луч, должен быть электрически проводимым. Это в общем ограничивает технологию металлическими материалами, и большинство керамик не электрически проводимы. Хотя некоторые инженерные керамики проводимы, ни одна из них пока не разработана для использования с EBM.

Каковы преимущества печати электронно-лучевым плавлением?

Преимущества EBM 3D-печати:

1. EBM печатает высокоплотные детали с хорошими механическими свойствами.
2. EBM может печатать хрупкие детали, которые иначе не могли бы быть произведены с использованием SLM-печати из-за повышенных температур печати в EBM.
3. Неиспользованный порошок может быть переработан и использован в последующих печатных заданиях, эффективно минимизируя отходы и снижая затраты.
4. Электронные лучи, используемые в EBM, более мощны, чем лазерные лучи, используемые в SLM, потому что использование вакуума гарантирует, что никакие посторонние молекулы не могут мешать печати. Этот более высокий энергетический уровень приводит к более высоким скоростям печати для EBM по сравнению с SLM.
5. EBM может производить высококачественные детали, сравнимые с традиционными производственными методами вроде литья или ЧПУ-обработки.

Каковы недостатки печати электронно-лучевым плавлением?

Недостатки EBM 3D-печати:

1. EBM может быть исключительно дорогим процессом из-за электронно-лучевой технологии и металлических порошков, используемых.
2. Только ограниченная группа металлов может быть напечатана с использованием EBM-процесса.
3. EBM-напечатанные детали склонны иметь более низкую размерную точность по сравнению с SLM-напечатанными деталями из-за разницы в размере частицы порошка и высоте печатаемого слоя.

Каковы вызовы, перед которыми стоит электронно-лучевое плавление?

EBM — очень волнующий и обещающий производственный метод. Однако есть несколько ограничений с текущей технологией, которые ограничивают её использование. Во-первых, EBM одобрено для использования только с ограниченным числом материалов. Больше порошковых материалов и сортов, подходящих для использования с EBM, позволят обслуживать более широкий рынок.

Другое ограничение технологии — она используёт довольно сложное оборудование. То, как порошковый материал обрабатывается внутри машины и равномерно распределяется по поверхности сборки последовательно для сотен слоёв — это требует более сложной механики, чем другие типы аддитивного производства. Электронный луч сам по себе также сложный источник энергии.

Эти аспекты объединяются в другое ограничение EBM — это всё ещё дорогая фабрикационная техника. Поэтому у неё более узкий набор рентабельных вариантов использования, таких как высокоценные или индивидуально изготовленные компоненты.

Каков процесс производства детали с использованием электронно-лучевого плавления?

Первый шаг в производстве с использованием процесса электронно-лучевого плавления — иметь электронную 3D-модель. Эта модель затем обрабатывается «слайсерным» софтом, чтобы уменьшить 3D-компонент до индивидуальных слоёв для печати по одному за раз. Нарезанный 3D-файл затем отправляется на EBM-машину.

На машине первая часть процесса — загрузка порошкового материала, с которым фабриковать. Машина затем создаст вакуум в строительной камере. Этот вакуум необходим для обеспечения того, что электроны в электронном луче не взаимодействуют с никакими газовыми частицами, а также для обеспечения того, что плавящийся металл не окисляется.

После начала производства тонкий слой порошка распределяется по зоне сборки. Этот порошок сначала предварительно нагревается, а затем электронный луч используется для плавления порошка вместе. Электронный луч следует специфическому пути для плавления порошка только в областях, необходимых для затвердения того слоя компонента, который строится. После завершения слоя строительная пластина (и компонент) незначительно опускается, и новый слой свежего порошка распределяется по верху его. Этот порошок предварительно нагревается и затем плавится электронным лучом для создания следующего слоя. После того как деталь полностью сфабрикована слой за слоем, она извлекается из строительной камеры, и излишки неплавленного порошка удаляются.

Каковы температуры, необходимые для EBM?

Часть плавления процесса EBM 3D-печати может требовать температуры свыше 2000 ℃ для плавления высокоплавких материалов, обычно используемых в EBM-печатных проектах, таких как титан. Вольфрамовые сплавы могут требовать плавления свыше 3000 ℃.

Даже фаза предварительного нагрева EBM-печати требует нагрева строительной платформы до 600–1000 ℃. Предварительный нагрев строительной платформы к высокой температуре минимизирует остаточные напряжения в напечатанной детали, результатом чего лучшие механические свойства. Однако более высокая температура строительной платформы требует адекватного количества поддержки для предотвращения деформации нависов.

Поддержки помогают отводить тепло от детали и в строительную платформу — эффективно снижая термические напряжения по всей детали.

Почему процесс EBM выполняется в вакууме?

Процесс EBM выполняется в вакууме для снижения остаточных напряжений в напечатанных деталях и предотвращения окисления напечатанных деталей из-за повышенных температур. Если вакуум не присутствует, электроны внутри луча могут сталкиваться с молекулами, присутствующими в воздухе.
Это заставит электроны чаще сталкиваться с газовыми молекулами, лишая луч энергии, необходимой для завершения процесса печати.
В обычной практике нагревание металлов на высоких температурах, таких как те, что найдены в EBM-печати, может привести к повышенному окислению, что делает конечный продукт хрупким. Однако в EBM печать внутри вакуумной камеры практически устраняет окисление и нехватку вязкости и вязкости, которую оно может вызвать.

Какие типы продуктов обычно производятся с использованием электронно-лучевого плавления?

Электронно-лучевое плавление обычно используется для производства металлических продуктов для специализированных применений таких как лопатки турбин для реактивных двигателей или индивидуальные компоненты турбонаддува для автоспорта. Эти типы продуктов фабрикуются таким образом, так как они могут benefic от возможностей EBM фабриковать сложные детали с материалами, не подходящими для типичного литья. EBM также используется для 3D-печати индивидуальных титановых (биосовместимых) компонентов, которые используются для имплантатов и протезов в медицинской отрасли.

Какие отрасли преимущественно используют технологию электронно-лучевого плавления?

Технология электронно-лучевого плавления обычно используется в отраслях, требующих специализированных, высокопроизводительных компонентов, таких как:

1. Авиакосмическая: EBM используется для строительства лопаток турбин для реактивных двигателей и других критических компонентов в авиакосмической отрасли.
2. Медицинская: Титановые имплантаты производятся EBM для медицинской отрасли, из-за способности аддитивного производства делать индивидуальные геометрии для отдельных пациентов.
3. Автомобильная и автоспорт: Индивидуальные высокопроизводительные детали производятся из металлов с использованием EBM вместе с более быстрым временным рамкам разработки чем традиционные производственные методы.

Каковы применения электронно-лучевого плавления?

Применения электронно-лучевого плавления фокусируются на специализированных деталях, фабрикованных из высокоценных металлов таких как титан или никелевые сплавы. Поэтому применения EBM в основном в авиакосмической отрасли для предметов таких как лопатки турбин реактивных двигателей, или в автоспортивной отрасли для индивидуальных компонентов турбонаддува. Тот факт, что титан (который биосовместим) может быть 3D-напечатан EBM также означает, что у него есть применения в медицинском поле, особенно в ортопедии для протезов вроде замены тазобедренных суставов.

Как электронно-лучевое плавление повлияло на авиакосмическую отрасль?

Электронно-лучевое производство повлияло на авиакосмическую отрасль, позволив фабриковать новые, более лёгкие компоненты с новыми материалами. Производственный процесс EBM фундаментально отличается от традиционного процесса литья. Строительство компонентов слой за слоем позволяет строить разные геометрии и использовать разные материалы (такие как титановый алюминид). Пример — способность делать более лёгкие лопатки турбин для реактивных двигателей, которые затем обеспечивают экономию топлива из-за сниженного веса. EBM также позволяет делать изменения в дизайне между единицами, чего литьё неспособно.

Есть ли медицинские применения для технологии электронно-лучевого плавления (EBM)?

Да, есть медицинские применения для электронно-лучевого плавления. Титановые сплавы — обычный материал, используемый в EBM, и титан также обычен для медицинских имплантатов из-за своей биосовместимости и прочности. EBM в основном применяется в ортопедии, в которой 3D-напечатанные компоненты вроде тазобедренных суставов обычны.

Используется ли электронно-лучевое плавление (EBM) в производстве компонентов двигателей?

Да, электронно-лучевое плавление используется в производстве компонентов двигателей в автомобильной отрасли. Из-за стоимости детали, сфабрикованной с EBM, её использование ограничено специализированными, высокопроизводительными деталями такими как индивидуальные турбонаддувы. EBM более обычно используется в авиакосмической отрасли для производства компонентов для реактивных двигателей, таких как лопатки турбин.

Какая разница между EBM и SLM 3D-печатью?

SLM (selective laser melting) — процесс LPBF (laser powder bed fusion). Название «SLS» изначально было товарным знаком SLM Solutions (ныне Nikon SLM Solutions Group AG), но часто используется как общий термин для металлических LPBF-систем.

Различия между EBM и SLM 3D-печатью:

1. EBM использует электроны для плавления порошков, в то время как SLM использует фотоны от лазера для плавления металлических порошков.
2. EBM требует вакуум для печати деталей, в то время как SLM печатает детали с инертным газом при близком к атмосферному давлении.
3. EBM в основном обрабатывает титан, кобальт-хром и некоторые никелевые суперсплавы, в то время как SLM поддерживает более широкий спектр металлов, включая нержавеющую сталь, алюминий и медь.
4. EBM в общем печатает детали с более низкой размерной точностью и более шершавой поверхностью чем SLM из-за своего большего размера частицы порошка и требуемых высот печатаемых слоёв.
5. EBM дороже SLM из-за EBM-технологии и металлических порошков, используемых.

Какая разница между EBM и DMLS 3D-печатью?

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) почти идентично SLM 3D-печати. Название DMLS является товарным знаком EOS GmbH. Несмотря на использование слова «спекание», процесс фактически плавит частицы вместе, а не спектирует их.

Помимо нескольких различий в параметрах печати между SLS и DMLS, они фундаментально те же технологии.

Различия между EBM и DMLS, поэтому, довольно похожи на те между EBM и DMLS.

1. EBM использует высокоэнергетический электронный луч для плавления металлических порошков, в то время как DMLS использует высокомощный лазер для достижения того же процесса.
2. EBM работает в вакуумной среде, тогда как DMLS функционирует в инертной газовой атмосфере (такой как аргон или азот) при близком к атмосферному давлении.
3. EBM в основном используется для материалов вроде титана, кобальт-хрома и определённых никелевых суперсплавов, в то время как DMLS приспособляет более широкое разнообразие металлов, включая нержавеющие стали, алюминий, инструментальные стали и титан.
4. EBM склонно предлагать более низкую размерную точность чем DMLS из-за более крупных частиц порошка и более толстых печатных слоёв, результатом чего более шершавые поверхностные отделки.
5. EBM-машины в общем более затратны, хотя фактические расходы варьируются на основе предполагаемого применения, выбора материалов и производственных потребностей.

Резюме

Эта статья резюмировала технологию электронно-лучевого плавления (EBM) 3D-печати, включая как она работает, её преимущества, материалы и как она сравнивается с другими 3D-печатными процессами. Чтобы узнать больше об электронно-лучевом плавлении 3D-печати и как вы можете применить её к вашим проектам, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие ценности-добавляющие услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное предложение без обязательств.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. Inconel® — зарегистрированный товарный знак дивизиона Huntington Alloys корпорации Special Metals Corp., Huntington, WV.

Отказ от ответственности

Контент, появляющийся на этой веб-странице, предназначен только для информационных целей. Xometry не даёт никаких представлений или гарантий любого рода, явных или подразумеваемых, касательно точности, полноты или достоверности информации. Никакие параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессы не должны выводиться как представительные того, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, запрашивающие котировки для деталей, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Обратитесь к нашим условиям для получения дополнительной информации.

Дин Макклементс

Дин Макклементс — выпускник с отличием по специальности «Машинное строительство» с более чем двумя десятилетиями опыта в производственной отрасли. Его профессиональный путь включал значимые роли в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Читать другие статьи Дина Макклементса